马里兰大学发明一款比蚂蚁头还小的四足机器人

图片来源：马里兰大学

几年前，我们就我们所见过的最小四足机器人写过一篇文章——它只有20毫米长，..距离地面高度为5.6毫米，重量约为1.6克。来自马里兰大学Sarah Bergbreiter实验室的设计师Ryan St. Pierre 向我们展示了一个比它还要小的、重量仅有100毫克的机器人的图片。当我们在2016年的IEEE机器人与自动化国际会议（ICRA 2016）上看到这些东西时，我们问了Ryan关于更小尺寸机器人的问题：

“尝试让机器人尽可能小，这总是一个有趣的挑战。”他告诉我们。“目前，我正在制作一个相同设计的但将仅有2.5毫米长的机器人，其尺寸比我们在ICRA上展示的那些机器人小了一个数量级。更小的机器人可以更容易地到达大型机器人无法到达的地方，而且，开发出各种尺寸的机器人将能增加机器人的用武之地。“

事实证明，缩小一个数量级还不够牛。相反，Ryan St. Pierre发明了一款比那还要小10倍的四足机器人：它只有1毫克重，比蚂蚁的头还小。

Ryan给我们发了一些运动中的该机器人的视频，不过很难凭之想象它到底有多小。让我们印象深刻的是把机器人和蚂蚁放在一起对比的图片——蚂蚁本身并不特别大，只有几厘米长，而微型机器人的尺寸是2.5毫米 × 1.6毫米 × 0.7毫米。这个设计是基于像RHex这样的旋转腿机器人，它的质量是微型四轴飞行器的100多万倍。这款机器人的设计基于类似于Rhex的旋转腿式机器人，而Rhex的质量是它的100多万倍。

与它的前辈一样，这款机器人太小了，无法使用传统的电机或电子产品来制作。它的腿由外部磁场控制，磁场作用在嵌入机器人..的微小立方体磁体上。旋转的磁场使磁体旋转，可以高达150Hz速度驱动其腿运动。所有的磁体以相同的方向安装在其..，你可以借此得到一个腾跃式步态，不过，通过稍微调整一下这些磁体，可以实现其他步态。最高速度达到了令人印象深刻的37.3 mm/s，即每秒移动14.9个机身长度，而且，令人有些惊讶的是，这款机器人的耐久性似乎相当强大——它被测试了100万个驱动周期，而“没有明显的磨损或性能下降的迹象”。

我们通过电子邮件采访了Ryan St. Pierre，以了解关于这款机器人更多的信息，包括这样的机器人有何实际的用途。

图片来源：马里兰大学

这款大小为2.5毫米× 1.6毫米× 0.7毫米、重量为1毫克的机器人，与干燥处理后的子弹蚁（Paraponera clavata）头部的对比照片。

IEEE Spectrum：你的机器人与其他微型有腿机器人相比如何？

Ryan St. Pierre：（我们的论文介绍的）这款机器人是最小最快的用腿移动的微型机器人之一。还有其他更小的微型机器人，但它们通常不使用腿作为移动方法。这项工作也有助于去理解毫克级机器人和生物的运动动力学。

IEEE Spectrum：这篇论文称，腿部磁体的方向决定了步态。为什么选择这种腾跃式步态，以及不同步态的潜在好处是什么？

Ryan St. Pierre：可以通过选择磁体相对于彼此的方向来物理方式地编程步态。最初，我将所有四块磁体以相同的方向安装（这样手工组装和放置磁体都更容易），制作出了腾跃式步态。在后来的迭代中，我使用了一种小跑步态，是通过使对角线磁体的方向相似来实现的。当涉及在平滑和粗糙的地形上运动时，选择怎样的步态最终是一个重要的问题，甚至可能在遇到不同的地形时，需要改变步态，而这是目前无法通过磁力驱动实现的。 

IEEE Spectrum：这种尺寸的四足机器人有什么潜在的用途？  

Ryan St. Pierre：这项工作最直接的应用是理解毫克级机器人和生物的腿式运动的动力学，并建立关于蚂蚁如何奔跑的更有代表性的物理和计算模型。对毫克级运动基本原理的更好理解将最终为这些小尺寸自主机器人的设计和控制提供依据。 

IEEE Spectrum：有可能让机器人变得更小吗？变得更小会有什么好处和挑战？

Ryan St. Pierre：当然可以变得更小。这取决于磁性材料和机器人主体的可用制造技术。变小、使用相同类型的腿和驱动带来了挑战。首先，关节中的摩擦力将是个大问题，需要更大的扭矩来旋转腿，这使得运动效率降低。话虽如此，要想把机器人缩小到比目前的1毫克的还要小，最终可能需要改变运动策略。但是，缩小尺寸、并使用相同的设计和驱动技术，也将有助于我们深入了解陆地生物的腿部运动，解开运动的基本限制之谜，并可能让我们得以了解生物系统中的进化压力。

Ryan St. Pierre、Walker Gosrich和Sarah Bergbreiter（目前在卡内基梅隆大学）合写的论文“A 3D-Printed 1-mg Legged Microrobot Running at 15 Body Lengths per Second”，在 2018 Hilton Head Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop会议上获得最佳论文奖。